苏教版高中生物选修三基因工程的应用课件.ppt

基因工程的应用,专题基因工程,请同学们阅读P17-P19思考以下问题:,1.目前用于杀虫的转基因抗虫植物基因有哪些?2.抗病转基因植物所采用的基因,使用最多的是什么?3.造成低产.减产的常见环境因素有哪些?使烟草、番茄的耐寒能力提高措施是什么?4.豆类中哪种必需氨基酸较少?大米、玉米、小麦中哪种必需氨基酸较少?举例说明科学家如何提高氨基酸的含量?,一、植物基因工程硕果累累：,植物基因工程在农业中的应用发展迅速。从1996-2001年，在短短的5年中，全世界转基因作物的种植面积就增长了30倍。,以转基因植物研究、开发和应用为标志的农业技术革命，已经在一些国家展开。2001年，就世界范围来看，转基因植物种植面积首次突破5106hm2。其中，转基因大豆、棉花、油菜、玉米已经入大规模商业化应用阶段，这四种转基因作物种植面积占相关作物种植面积的比例已达到：大豆63%，玉米19%，棉花13%，油菜5%。,植物基因工程技术主要用于提高农作物的抗逆能力（如抗除草剂、抗虫、抗病、抗干旱和抗盐碱等）,以及改良农作物的品质和利用植物生产药物等方面.,我国转基因作物的种植面积也迅速增长，目前已位居世界第四。,1.抗虫转基因植物:,全世界每年因虫害造成农作物的损失约占总产量的13%，达数千亿美元。对农业害虫的防治，大多是依靠化学农药。大量使用化学农药不仅造成了严重的环境污染，损害了人类健康，而且还大大增加了生产成本。,因此，从某些生物中分离出具有杀虫活性的基因，将其导入作物中，使其具有抗虫性，已成为防治作物害虫的发展趋势。,目前，已问世的转基因抗虫植物主要有水稻、棉、玉米、马铃薯、番茄、大豆、蚕豆、烟草、苹果、核桃、杨、菊花和白花三叶草等。,用于杀虫的基因主要是Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等。,例如，我国转基因抗虫棉就是转入Bt毒蛋白基因培育出来的，它对棉铃虫具有较强的抗性。,（Bt毒蛋白基因是从苏云金芽孢杆菌中分离出来的抗虫基因）,苏云金芽孢杆菌,（有抗虫特性）,Bt毒蛋白基因,普通棉花（无抗虫特性）,棉花细胞（含抗虫基因）,棉花植株（有抗虫特性）,如：基因工程培育抗虫棉的简要过程：,近几年来，我国拥有自主知识产权的转基因抗虫棉的研究和应用，取得了突飞猛进的发展，从1998年占据市场份额的10%，已经提高到2000年的64.4%，居主导地位。仅2002年我国抗虫棉的栽培面积已达95104hm2，增加收益约20亿元人民币。,2.抗病转基因植物：,植物像人一样也会生病。引起植物生病的微生物称为病原微生物，主要有病毒、真菌、细菌等。,例如，许多栽培作物由于自身缺少抗病毒的基因，因此，用常规育种的方法很难培育出抗病毒的新品种，而基因工程技术，为培育抗病毒植物品种开辟了新的途径。目前，人们已经获得抗烟草花叶病毒的转基因烟草和抗病毒的转基因小麦、甜椒、番茄等多种作物。,抗病转基因植物所采用的基因，使用最多的是病毒外壳蛋白（CP）基因和病毒的复制酶基因；抗真菌转基因植物中可使用的基因有几丁质酶基因和抗毒素合成基因。,3.抗逆转基因植物：,环境条件对农作物的生产会造成很大影响。例如，盐碱、干旱、低温、涝害等不利的环境条件，是造成低产、减产的常见因素。,由于盐碱、干旱对农作物的危害与细胞内渗透压调节有关。目前科学家正在利用一些可以调节细胞渗透压的基因，来提高农作物的抗盐碱、抗干旱的能力。这在烟草等植物中已获得了比较明显的成果,科学家们还研究开发出了一批耐寒作物。例如，将鱼的抗冻寒蛋白基因导入烟草和番茄，使烟草和番茄的耐寒能力均有提高。将抗除草剂基因导入大豆、玉米等作物，喷洒除草剂时，杀死田间杂草而不损伤作物。,4.利用转基因改良植物的品质：,许多食品含有的营养成分并不均衡，例如，豆类食品中，含有蛋氨酸比较少，大米、玉米、小麦则含赖氨酸比较少。这些人体必需的氨基酸缺少后对人体的健康不利。科学家将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因，导入植物中，或者改变这些氨基酸合成途径中某些关键酶的活性，以提高氨基酸含量。例如，我国科学家将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米，获得的转基因玉米中赖氨酸的含量比对照提高了30%。,番茄含有丰富的维生素，但不耐储存。我国科学家将控制番茄果实成熟的基因导入番茄，获得了转基因延熟番茄，储存时间可延长1-2个月，有的可达80天。目前，我国农业部已批准这种耐储存番茄进行商品化生产。,目前，我国农业部已批准这种耐储存番茄进行商品化生产。,我国科学家还成功地将与植物花青素代谢有关的基因导入花卉植物矮牵牛中，转基因矮牵牛呈现出自然界没有的颜色变异，大大提高了花卉的观赏价值。,基因工程在农业上的应用：,1）获得高产、稳产和具优良品质的品种,小结:,用基因工程的方法可以改善粮食作物的蛋白质含量。如“向日葵豆”植株。,2）培育出具有各种抗逆性作物新品种,将细菌的抗虫、抗病毒、抗除草剂、抗盐碱、抗干旱、抗高温等抗性基因转移到作物体内，将从根本上改变作物的特性。如转基因抗虫棉。,1.如何利用动物基因工程技术提高动物的生长速率?2.怎样能在其他营养成分不受影响的情况下,降低乳糖的含量?3.目前科学家已在山羊等动物乳腺生物反应器中表达了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和a-抗胰蛋白酶,科学家是怎样获得转基因动物的?,请同学们阅读P20-P21思考以下问题:,二、动物基因工程前景广阔：,1.用于提高动物生长速度：,动物基因工程技术可以提高动物生长速率。由于外源生长激素基因的表达可以使转基因动物生长得更快，因此，科学家们将这类基因导入动物体内，以提高动物生长速率。,例如，将外源生长激素基因导入绵羊体内，转基因绵羊的生长速率比一般的绵羊提高了30%，体型增大50%；,将外源生长激素基因导入鲤鱼，9个月后有的转基因鲤鱼比对照重1.5kg。,2.用于改善畜产品的品质：,例如，有些人食用牛奶后，对牛奶中的乳糖不能完全消化；也有些人食用牛奶后会出现过敏、腹泻、恶心等不适症状。为了解决这一问题，科学家将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，使获得的转基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大减低，而其他营养成分不受影响。,繁殖具有抗病能力、高产仔率、高产奶率和高质量的皮毛等优良品质的转基因动物。该过程的重要步骤是通过感染或显微注射技术将重组DNA转移到动物受精卵中。,1、基因工程在畜牧养殖业上的应用主要是什么？,将人的生长激素基因和牛的生长素基因分别注射到小白鼠受精卵中，得到的“超级小鼠”。,思考:,3.用转基因动物生产药物：,最令人兴奋的是利用基因工程技术，还可以使哺乳动物本身变成“批量生产药物的工厂”。科学家将药用蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起，通过显微注射等方法，导入哺乳动物的受精卵中，然后将受精卵送入母体内，使其生长发育成转基因动物。转基因动物进入泌乳期后，可以通过分泌的乳汁来生产所需要的药品，因而称为乳腺生物反应器或乳房生物反应器。,目前，科学家已在牛和山羊等动物乳腺生物反应器中表达出了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和-抗胰蛋白酶等重要医药产品。,思考:,、用动物乳房作为反应器生产的蛋白质比工厂生产有何优越性？,产量高、质量好、成本低、易提取,2、简述乳房生物反应器的操作过程？,将药用蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起，通过显微注射等方法，导入哺乳动物的受精卵中，然后将受精卵送入母体内，使其生长发育成转基因动物。转基因动物进入泌乳期后，可以通过分泌的乳汁来生产所需要的药品。,、乳房生物反应器的操作过程与转基因动物操作过程有何不同之处？并阐述原因？,要在编码蛋白质的基因序列前加上乳腺组织中特异表达的启动子构成表达载体。因为产品在奶中形成，需要乳腺组织中特异表达的启动子。（基因的选择性表达）,4.用转基因的动物作器官移植的供体：,目前，人体移植器官短缺是一个世界性的难题，用其它动物的器官替代，又会出现免疫排斥现象。现在，科学家正试图利用基因工程方法对一些动物的器官进行改造，采用的方法是将器官供体基因组导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因，再结合克隆技术，培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆器官。,1.什么是工程菌?由其生产的药物主要有哪些？2.什么是基因治疗？3.你想像中未来的基因工程会有怎样的发展趋势？,请同学们阅读P21-P24并思考以下问题:,1、在传统的药品生产中，某些药品如胰岛素、干扰素直接生物体的哪些结构中提取？,药品直接从生物的组织、细胞或血液中提取。,2、传统生产方法的缺点？,由于受原料来源的限制，价格十分昂贵。,3、可利用什么方法来解决上述问题？,利用基因工程方法制造“工程菌”，可高效率地生产出各种高质量、低成本的药品。,三.基因工程药品异军突起：,思考:,我国生产的部分基因工程疫苗和药物,胰岛素是治疗糖尿病的特效药。一般临床上使用的胰岛素主要从猪、牛等家畜的胰腺中提取，每100kg胰腺只能提取4-5g胰岛素。用该方法生产的胰岛素产量低，价格昂贵，远不能满足社会需要。1979年，科学家将动物体内的胰岛素基因与大肠杆菌DNA分子重组，并在大肠杆菌内实现了表达。1982年，美国一家基因公司用基因工程方法生产的胰岛素投入市场，售价降低了30%-50%。,基因工程药品胰岛素,干扰素是病毒侵入细胞后产生的一种糖蛋白。干扰素几乎能抵抗所有病毒引起的感染，是一种抗病毒的特效药。此外干扰素对治疗某些癌症和白血病也有一定疗效。传统的干扰素生产方法是从人血液中的白细胞内提取，每300L血液只能提取出1mg干扰素。1980-1982年，科学家用基因工程方法在大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素，是传统的生产量的12万倍。1987年上述干扰素大量投放市场。,基因工程药品干扰素,治疗侏儒症的唯一方法，是向人体注射生长激素。而生长激素的获得很困难。以前，要获得生长激素，需解剖尸体，从大脑的底部摘取垂体，并从中提取生长激素。现可利用基因工程方法，将人的生长激素基因导入大肠杆菌中，使其生产生长激素。人们从450L大肠杆菌培养液中提取的生长激素，相当于6万具尸体的全部产量。,基因工程药品生长激素,传统的乙肝疫苗生产：,现代的乙肝疫苗生产：,从乙肝病毒携带者的血液中提取,具体方法：,特点：,生产周期长，产量低、价格昂贵。,具体方法：,成就：,我国研制的生物工程乙肝疫苗于1992年投放市场，并在预防乙肝中发挥了重要的作用。,基因工程药品乙肝疫苗,转基因动物的乳腺。,1、就基因药物而言，最理想的表达场所是哪里？,思考:,1）乳腺是一个外分泌器官，乳汁不进入体内循环，不会影响转基因动物本身的生理代谢反应。2）从乳汁中获取目的基因产物，产量高，易提纯，表达的蛋白质已经过充分的修饰加工，具有稳定的生物活性。3）从乳汁中源源不断获得目的基因的产物的同时，转基因动物又可无限繁殖。,2、为什么乳腺能成为基因药物最理想的表达场所呢？,（一）基因诊断：,也称为DNA诊断或基因探针技术，即是用放射性同位素（如32P）、荧光分子等标记的DNA分子做探针，利用DNA分子杂交原理，鉴定被检测标本上的遗传信息，达到检测疾病的目的。探针制备：放射性同位素(如32P)、荧光分子等标记的DNA分子；原理：利用DNA分子杂交原理；,四、基因治疗曙光初照：,基因探针：,基因探针就是一段与目的基因或DNA互补的特异核苷酸序列。它包括整个基因，或基因的一部分；可以是DNA本身，也可以是由之转录而来的RNA。,DNA分子杂交原理：,DNA分子杂交是基因诊断最基本的方法之一。其基本原理是：互补的DNA单链能够在一定条件下结合成双链，即能够进行杂交。这种结合是特异的，即严格按照碱基互补配对进行。因此，当用一段已知基因的核苷酸序列作为探针，与被测基因进行接触，若两者的碱基完全配对成双链，则表明被测基因中含有已知的基因序列。,基因诊断技术在诊断遗传性疾病方面发展迅速。目前已经可以对几十种遗传病进行产前诊断。,1）珠蛋白的DNA探针镰刀状细胞贫血症2）苯丙氨酸羧化酶基因探针苯丙酮尿症3）白血病患者细胞中分离出的癌基因制备的DNA探针白血病,举例：,把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥作用，从而达到治疗疾病的目的，这是治疗遗传病的最有效的方法。,（二)、基因治疗：,1、概念：,2、方法：,体外基因治疗和体内基因治疗,（1）体外基因治疗：,先从病人体内获得某种相关细胞，进行培养，然后在体外完成基因转移，再筛选成功转移的细胞扩增培养，最后重新输入患者体内，这种方法叫做体外基因治疗。,（2）体内基因治疗：,直接向人体组织细胞中转移基因的治疗方法叫做体内基因治疗。,3、实例：,病因：,症状：,治疗：,半乳糖血症,乳糖,半乳糖,葡萄糖,半乳糖苷转移酶,半乳糖苷转移酶基因缺陷,（）,半乳糖不能转化，在体内积聚，引起肝、脑受损。,1971年，美国一位科学家在体外做了一个试验,1971年，美国一位科学家在体外做的试验：,带有半乳糖苷转移酶基因的噬菌体,患者的离体细胞,组织细胞能利用半乳糖,试验过程：,试验结论：,用基因替换的方法，治疗遗传病是可能的。,评价：,这仅仅是在人体外完成基因的表达，而要将基因转移到人体内的细胞，还有许多技术上的难题需要解决。但发展前景十分美好。,4、评价：,无论哪一种基因治疗，目前都处于初期的临床试验阶段。可以说，在没有完全解释人类基因组的运转机制。充分了解基因调控机制和疾病的分子机制之前，进行基因治疗是十分困难的。,另外，还存在着技术方面、伦理道德方面，以及安全性方面的诸多困难。如果这些问题能逐一解决的话，基因治疗将推动21世纪的医学革命。,5、说明：,对于遗传病的治疗最根本的方法是进行基因替换或修复。基因治疗的最佳时期理论上是受精卵时期，这样可以使个体的每个细胞都含有正常基因，但在现实生活中是不可能的，因为不可能人人在受精卵时期进行基因检查。其次是对患者进行相关细胞的基因替换，如：对于遗传性糖尿病患者，只对胰腺的B细胞进行基因替换，该个体就能正常分泌胰岛素，糖尿病得以治疗；但这种局部细胞的基因替换，并没有改变其它部位细胞的基因，如精原细胞，其后代很大可能还会患遗传性糖尿病。,五、基因工程与食品业：,为人类开辟新的食物来源,如：用“工程菌”生产卵清蛋白,鸡蛋白基因,试验过程：,试验结论：,在大肠杆菌和酵母菌中表达,评价：,发展前景十分美好。将来人们还可以用基因工程的方法从微生物中获得人们所需要的糖类、脂肪和维生素等产品。,能用“工程菌”生产大量的卵清蛋白,六、基因工程与环境保护：,1、用于环境监测,如：用DNA探针可以检测病毒含量,方法：,评价：,利用一特定DNA制成DNA探针,被检测病毒,快速、灵敏、精确度高。,与被检测病毒DNA杂交，检测出病毒,2、用于环境污染的净化,如用“超级细菌”分解石油,方法：,评价：,把三种假单孢杆菌中分解烃类的基因,另一种假单孢杆菌,大大提高分解石油的效率,“超级细菌”,此外，科学家用基因工程的方法已经培养出了吞噬Hg、降解DDT的细菌；净化镉污染的植物；生物工程农药（杀虫剂）等,（能分解四种烃）,1、有些转基因食物含的一些物质，可能会影响人体健康。2、大量的转基因生物进入自然界后很可能会与野生物种进行杂交，产生一些超级生物，从而造成基因污染。3、如有些作物插入抗虫基因，杀死环境中有益的生物。,基因工程的弊端,转基因生物与目的基因的关系:,Bt毒蛋白基因,苏云金芽孢杆菌,病毒外壳基因和病毒复制酶基因,几丁质酶基因和抗毒素合成基因,调节细胞渗透压的基因,抗冻蛋白基因,鱼,抗除草剂基因,富含赖氨酸的蛋白质编码基因,控制番茄果实成熟的基因,植物花青素代谢有关的基因,肠乳糖酶基因,人胰岛素基因,人,小结:,1、“工程菌”是指()A、用物理或化学方法诱发菌类自身某些基因得到高效表达的菌类细胞株系B、用遗传工程的方法，使同种不同株系的菌类通过杂交，得到的新细胞株系C、用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系D、从自然界中选取能迅速增殖的菌类,练习,C,2、基因治疗是指()A、把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的B、对有缺陷的细胞进行